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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einer zweiflutigen Turbine und einer drehbaren Flutenverbindung.
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Ein Verbrennungsmotor 1, der von einem Abgasturbolader 2 aufgeladen wird, zeichnet sich durch die in der 1 dargestellte Anordnung der Führung von Frischluft und Abgasen aus. Im aufgeladenen Betrieb strömt das Abgas aus dem Verbrennungsmotor 1 über die Turbine 3, welche den Verdichter 4 im Ansaugtrakt vor dem Einlass des Motors 1 über eine gemeinsame Welle 5 antreibt. Durch die Verdichtung der Ansaugluft kann mehr Kraftstoff pro Zylinderhub zugemischt werden und das Drehmoment des Motors 1 wird erhöht.
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In der 1 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit einige Elemente der Luftführung nicht dargestellt. Dies sind zum Beispiel ein vor dem Verdichter angeordneter Luftfilter, ein vor dem Verdichter angeordneter Luftmengenmesser, ein hinter dem Verdichter angeordneter Ladeluftkühler, ein Tank, eine hinter der Drosselklappe angeordnete Kurbelgehäuse-Entlüftung und ein hinter der Turbine angeordneter Katalysator. Auf eine Darstellung einer gegebenenfalls vorhandenen Abgasrückführung oder Sekundärlufteinblasung wurde ebenfalls verzichtet.
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Im aufgeladenen Betrieb ist die Drosselklappe 8 vollständig geöffnet. Die Regelung der Aufladung kann zum Beispiel durch Abblasen eines Teils des Abgasmassenstroms durch ein Wastegate 7 erfolgen.
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In der 2 ist eine mögliche Ausführungsform eines Abgasturboladers 2 nach dem Stand der Technik dargestellt. Diese Darstellung enthält einen Schnitt im Bereich des Wastegate-Systems. Das genannte Wastegate-System 7 ist im Turbinengehäuse 9 angeordnet. Das Wastegate-System wird über einen elektrischen Wastegate-Aktuator 10 betätigt, der unter Verwendung eines Halters am Verdichtergehäuse 11 befestigt ist. Zwischen dem Turbinengehäuse 9 und dem Verdichtergehäuse 11 befindet sich eine Rumpfgruppe 12, in welcher die gemeinsame Welle von Turbinenrad und Verdichterrad untergebracht ist.
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Die 3 zeigt das Wastegate-System in einer Draufsicht sowie in einer Schnittdarstellung der Seitenansicht. Dargestellt ist die Wastegate-Öffnung 13 im Turbinengehäuse 9, die über einen Wastegate-Klappenteller 14 freigegeben oder verschlossen werden kann. So kann bei Bedarf ein Teil des Abgasmassenstroms am Turbinenrad vorbei geleitet werden. Die Öffnungs- bzw. Schließ-Betätigung der Klappe 14 erfolgt über eine Linearbewegung einer Regelstange 15, die von einem pneumatischen oder elektrischen Aktuator gesteuert wird. Diese Linearbewegung wird über eine Verbindungsplatte 16 an einen äußeren Wastegatehebel 17 übertragen. Die in einer Buchse 18 gelagerte Wastegatespindel 19 überträgt die Drehbewegung auf den Wastegate-Klappenteller 14. Aufgrund der linear geführten Regelstange 15 ist zusätzlich ein Ausgleichsgelenk 20 in der Kinematik erforderlich, um einen Schränkungsausgleich zu gewährleisten.
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Die vorstehenden Ausführungen beziehen sich auf Abgasturbolader mit einflutigem Turbinengehäuse. Diese werden auch als Monoscroll-Turbinen bezeichnet. Diese Technologie hat den Nachteil, dass sich die einzelnen Zylinder des Verbrennungsmotors bei einem Ladungswechsel negativ beeinflussen. Dies wirkt sich nachteilig auf den Abgasgegendruck und den Gaswechsel des Motors aus, wodurch wiederum dessen Verbrauch, Ansprechverhalten und Nennleistung verschlechtert wird.
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Um dieses Problem zu beheben werden zweiflutige Turbinengehäuse verwendet. Dabei unterscheidet man zwischen Segmented-Scroll-Turbinen und Twin-Scroll-Turbinen, wie es in der 4 veranschaulicht ist.
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Beide Turbinen enthalten eine Trennwand 21, die zwischen den beiden Fluten 22 und 23 vorgesehen ist. Bei der Segmented-Scroll-Turbine ist die Trennwand so angeordnet, dass das Rad von beiden Fluten auf je 180° über die volle Radeintrittsbreite beaufschlagt wird. Bei der Twin-Scroll-Turbine ist die Trennwand in radialer Richtung zum Turbinenrad angeordnet, wodurch dieses von beiden Fluten auf 360° auf je 50% der Radeintrittsbreite beaufschlagt wird. Bei beiden Turbinen-Bauarten kommt – wie es aus der 5 ersichtlich ist – ein Abgaskrümmer 24 zum Einsatz, bei dem bei Vierzylinder-Motoren jeweils zwei Zylinder und bei Sechszylinder-Motoren jeweils drei Zylinder zu einem Strang zusammengefasst sind. Jeder Strang ist wiederum mit einer Flut des zweiflutigen Turbinengehäuses verbunden. Dadurch wird gewährleistet, dass sich die Abgaspulse der einzelnen Zylinder möglichst wenig negativ beeinflussen. In der 5 ist der Abgaskrümmer eines Vierzylinder-Motors veranschaulicht, bei welchem jeweils zwei Zylinder zu einem Strang zusammengefasst sind. So sind die Zylinder 26 und 29 zu einem Strang zusammengefasst. Des Weiteren sind die Zylinder 27 und 28 zu einem Strang zusammengefasst.
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Aus der
DE 10 2013 002 894 A1 ist eine Turbine für einen Abgasturbolader bekannt, welche ein Turbinengehäuse aufweist, in welchem zwei von Abgas durchströmbare Fluten vorgesehen sind, und welches des Weiteren einen Umgehungskanal aufweist. Ferner ist ein Ventil vorgesehen, welches im geschlossenen Zustand sowohl die Flutenverbindung als auch den Umgehungskanal sperrt und im geöffneten Zustand sowohl die Flutenverbindung als auch den Umgehungskanal öffnet. Dieses Ventil ist rotatorisch bewegbar. Es weist einen um einen Drehpunkt verschwenkbaren Schwenkarm auf, an dessen Endbereich ein Klappenteller befestigt ist, der durch einen kugelsegmentförmigen Körper erweitert ist.
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Des Weiteren ist aus der
DE 10 2010 008 411 A1 eine Turbine für einen Abgasturbolader bekannt, welche ein Turbinengehäuse aufweist, welches zwei von Abgas durchströmbare Fluten und einen Bypass aufweist. Zwischen den Fluten und dem Bypass ist ein translatorisch verstellbares Ventil vorgesehen, welches einen Schaft, einen Deckel und einen Klappenteller aufweist. In einer ersten Stellung dieses Ventils sind die Fluten fluidtechnisch voneinander getrennt und der Bypass geschlossen. In einer zweiten Stellung dieses Ventils sind die Fluten fluidtechnisch miteinander verbunden und der Bypass ist geschlossen. In einer dritten Stellung dieses Ventils sind die Fluten fluidtechnisch miteinander verbunden und der Bypass ist geöffnet.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Abgasturbolader mit einer zweiflutigen Turbine anzugeben, bei welchem eine Flutenverbindung in einfacher, kostengünstiger und strömungsgünstiger Weise realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader mit den im Anspruch 1 abgegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Durch die Erfindung wird ein Abgasturbolader mit einer zweiflutigen Turbine bereitgestellt, deren Gehäuse zwei Eingänge aufweist, von denen jeder mit einem Abgaszuströmkanal verbunden ist, wobei im Bereich der Abgaszuströmkanäle ein Koppelelement angeordnet ist, mittels dessen die beiden Abgaszuströmkanäle fluidtechnisch miteinander verbindbar sind.
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Die Vorteile eines derartigen Abgasturboladers bestehen insbesondere darin, dass bei einem Abgasturbolader mit einer zweiflutigen Turbine eine Flutenverbindung einfach, kostengünstig und strömungsgünstig hergestellt werden kann. Des Weiteren werden bei einem erfindungsgemäßen Abgasturbolader zur Herstellung der Flutenverbindung nur vergleichsweise geringe Stellkräfte benötigt. Ferner besteht bei einem erfindungsgemäßen Abgasturbolader eine gute Regelbarkeit der Flutenverbindung. Diese Vorteile beruhen unter anderem darauf, dass die Regelung bzw. Steuerung der Flutenverbindung bereits im Bereich zwischen dem Abgaskrümmer der Brennkraftmaschine und dem Eingang des Turbinengehäuses des Abgasturboladers mittels eines dort vorgesehenen Koppelelements durchgeführt wird.
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Vorzugsweise handelt es sich bei diesem Koppelelement um eine in einem hohlzylindrischen Gehäuse gelagerte Drehtrommel, welche eine verdrehbare Trennwand aufweist. Dieses Koppelelement kann in vorteilhafter Weise außen am Turbinengehäuse befestigt sein. Alternativ dazu kann das Koppelelement beim Vorliegen eines Zylinderkopfes mit integriertem Abgaskrümmer auch im Zylinderkopf angeordnet sein. Weitere Alternativen bestehen darin, das Koppelelement an einem im Bereich der Abgaszuströmkanäle vorgesehenen Abgasführungsbauteil oder an einer geeigneten Stelle des Motorblockes der Brennkraftmaschine zu befestigen. Bei allen diesen Ausführungsformen bedarf es zu einer Steuerung bzw. Regelung der Flutenverbindung keiner baulichen Maßnahmen innerhalb des Turbinengehäuses. Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender Erläuterung anhand der 6 und 7. Dabei zeigt
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6 eine Skizze zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels für die Erfindung und
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7 eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung der Bauteile des in der 6 gezeigten Koppelelements.
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Die 6 zeigt eine Skizze zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels für die Erfindung. Aus dieser Figur ist ersichtlich, dass ein Verbrennungsmotor 1 ausgangsseitig Abgaszuströmkanäle 31 und 32 aufweist, die über ein Koppelelement 33 mit den Eingängen 43 und 44 des Turbinengehäuses 9 eines Abgasturboladers verbunden sind. Innerhalb des Turbinengehäuses 9 ist an den Abgaszuströmkanal 31 eine erste Flut 22 des Turbinengehäuses angeschlossen. Des Weiteren ist innerhalb des Turbinengehäuses 9 an den Abgaszuströmkanal 32 eine zweite Flut 23 des Turbinengehäuses angeschlossen. Diese Fluten beaufschlagen das Turbinenrad 30 der Turbine mit heißem Abgas, so dass dieses Turbinenrad in Drehung versetzt wird und über eine nicht gezeichnete Welle das ebenfalls nicht gezeichnete Verdichterrad des Abgasturboladers antreibt.
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Im Arbeitsbetrieb des Abgasturboladers besteht die Notwendigkeit, in Abhängigkeit vom momentanen Betriebszustand die Abgasmassenströme in den beiden Fluten 22 und 23 relativ zueinander zu verändern.
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Dies erfolgt bei der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines im Bereich der Abgaszuströmkanäle 32 und 33 angeordneten Koppelelements 33. Dieses Koppelelement weist eine verdrehbare Trennwand 34 auf, die in einer ersten Verdrehposition die beiden Abgaszuströmkanäle 31 und 32 fluidtechnisch voneinander trennt und in einer zweiten Verdrehposition die beiden Abgaszuströmkanäle 31 und 32 fluidtechnisch miteinander verbindet. Die Drehachse der verdrehbaren Trennwand 34 verläuft in Längsrichtung der Abgaszuströmkanäle und mittig durch das Koppelelement.
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Die 7 zeigt eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung der Bauteile des in der 6 dargestellten Koppelelements 33.
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Aus der 7, in welcher die einzelnen Bauteile des Koppelelementes 33 im auseinandergezogenen Zustand dargestellt sind, ist ersichtlich, dass das Koppelelement ein hohlzylindrisches Gehäuse 36, eine Drehtrommel 35, einen Abschlussflansch 37 und ein Verstellelement 40 enthält.
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Im zusammengebauten Zustand dieses Koppelelements ist die Drehtrommel 35 innerhalb des Gehäuses 36 verdrehbar gelagert. Des Weiteren ist im zusammengebauten Zustand der Abschlussflansch 37, der auf der Zuströmseite des Koppelelements angeordnet ist, fest mit dem Gehäuse 36 verschraubt.
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Der Abschlussflansch 37 weist einen Mittelsteg 38 auf, der die durch die Zuströmkanäle fließenden Abgasströme voneinander getrennt hält.
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Die Drehtrommel 35 weist ebenfalls einen Mittelsteg auf, bei dem es sich um die verdrehbare Trennwand 34 handelt. Diese ist fest mit dem weiteren Körper der Drehtrommel verbunden oder monolithisch einstückig mit dem weiteren Körper der Drehtrommel ausgebildet und zusammen mit diesem innerhalb des Gehäuses 36 verdrehbar.
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Das in der 7 veranschaulichte Koppelelement 33 weist einen geschlossenen und einen geöffneten Zustand auf. Im geschlossenen Zustand des Koppelelements 33 sind die beiden Abgaszuströmkanäle 31 und 32 fluidtechnisch voneinander getrennt. Im geöffneten Zustand des Koppelelementes 33 sind die beiden Abgaszuströmkanäle 31 und 32 fluidtechnisch miteinander verbunden, so dass Abgas von einem dieser Abgaszuströmkanäle in den anderen Abgaszuströmkanal fließen kann. Ausgangsseitig sind die Abgaszuströmkanäle – wie es bereits oben ausgeführt wurde – mit den Fluten 22 bzw. 23 verbunden, so dass im Koppelelement 33 vorgenommene Änderungen der in den Abgaszuströmkanälen fließenden Abgasmassenströme relativ zueinander entsprechende Änderungen der in den Fluten 22 und 23 des Turbinengehäuses fließenden Abgasmassenströme bewirken.
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Zur Verstellung der Drehposition der Drehtrommel 42 und damit auch der innerhalb der Drehtrommel vorgesehenen Trennwand 34 ist das Verstellelement 40 vorgesehen. Dieses weist in seinem Außenmantel ein Gewinde 41 auf, welches durch eine Öffnung des Gehäuses 36 in Wirkverbindung mit einem auf dem Außenmantel der Drehtrommel 42 vorgesehenen Gegengewinde 42 steht. Folglich kann durch eine Verdrehung des Verstellelementes 40 eine Verdrehung der Drehtrommel 35 und damit auch der in der Drehtrommel vorgesehenen Trennwand 34 erzielt werden.
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Wie aus den vorstehenden Erläuterungen ersichtlich ist, erfolgt bei der vorliegenden Erfindung eine Steuerung bzw. Regelung der Flutenverbindung eines mit zwei Fluten ausgestatteten Turbinengehäuses bereits vor der Turbine mittels eines im Bereich der Abgaszuströmkanäle vorgesehenen Koppelelementes 33. Dieses Koppelelement weist einen geschlossenen und einen geöffneten Zustand auf, wobei im geschlossenen Zustand die beiden Abgaszuführströme und damit auch die beiden im Turbinengehäuse vorgesehenen Fluten fluidtechnisch voneinander getrennt sind und im geöffneten Zustand die beiden Abgaszuführströme und damit auch die beiden im Turbinengehäuse angeordneten Fluten fluidtechnisch miteinander verbunden sind.
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Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass das Koppelelement eine verdrehbare Trennwand aufweist, die vorzugsweise Bestandteil einer in einem hohlzylindrischen Gehäuse drehbar gelagerten Drehtrommel ist. Diese Drehtrommel steht vorzugsweise durch eine Öffnung im hohlzylindrischen Gehäuse in Wirkverbindung mit einem Verstellelement, durch dessen Betätigung eine Verstellung der Drehposition der Drehtrommel und damit auch der in der Drehtrommel vorgesehenen und zusammen mit dieser verdrehbaren Trennwand erfolgt.
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Notwendige Abdichtungen können unter Verwendung von Kolbenringen oder unter Verwendung anderer bekannter Dichtungskonzepte erfolgen.
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Die Verstellung der Drehposition der Drehtrommel und damit auch der verdrehbaren Trennwand kann unter Verwendung eines pneumatischen Stellgliedes, eines elektrischen Stellgliedes oder alternativ dazu auch durch den Abgasmassenstrom direkt erfolgen. Das Verdrehen der Trennwand kann grundsätzlich mittels eines Verstellelementes über einen Hebel, eine Zahnstange, ein Gewinde oder eine Welle erfolgen.
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Alternativ zu der oben beschriebenen Ausführungsform kann das Koppelelement eine verdrehbare Trennwand aufweisen, die nicht in einer Drehtrommel positioniert ist.
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Eine weitere alternative Ausführungsform besteht darin, dass die Abgaszuströmkanäle in das Turbinengehäuse hineinreichen und das Koppelelement innerhalb des Turbinengehäuses positioniert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013002894 A1 [0010]
- DE 102010008411 A1 [0011]
